CN117043555A - 热式传感器和用于操作热式传感器的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于操作热式传感器(100)的方法，该热式传感器(100)至少包括第一传感器元件(101)和电子器件(110)，其中：第一传感器元件(101)被放置成与容器(3)、尤其是与管热接触，被测介质(2)以任意流速流过容器(3)；第一传感器元件(101)借助于向传感器元件(101)施加的交变电压被周期性地加热，并且同时捕捉第一传感器元件(101)的温度曲线；电子器件(110)通过比较向第一传感器元件(101)施加的交变电压的三次谐波振荡的曲线与第一传感器元件(101)的温度的三次谐波振荡的曲线，更特别地是通过计算交变电压的三次谐波振荡的曲线与温度的三次谐波振荡的幅度的曲线之间的相移来确定被测介质(2)的被测变量(V3ω)；并且选择交变电压的频率，使得第一传感器元件(101)发出的热以穿透深度(ET)穿透进入被测介质(2)的流量剖面，其中，被测介质(2)的流速基本为零。本发明还涉及一种被设计成借助于根据本发明的方法操作的热式传感器(100)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于操作热式传感器的方法，其中，热式传感器至少包括第一传感器元件和电子器件。此外，本发明涉及一种热式传感器，该热式传感器具体化为借助于本发明的方法来操作。
背景技术
已知用于确定被测介质(例如，流体，例如气体、气体混合物或液体)的流量(例如，流速或流率)的热式、流量传感器。这些热式、流量传感器利用(流动的)被测介质将热从被加热区域输送出去的特征。热式、流量传感器通常由许多功能元件构成，通常至少是低电阻加热元件和高电阻的电阻元件，其用作温度传感器。可替选地，热式、流量传感器由用作加热器和温度传感器的多个低电阻加热元件构成。
量热式、热式、流量传感器使用被布置在加热元件的下游和上游的两个温度传感器之间的温差来确定通道中流体的流量，例如，流率。为此所利用的特征是温差与流量(例如，流率)在某一点上线性相关。该方法在相关文献中被广泛地描述。
风速、热式、流量传感器由在流量测量期间被加热的至少一个加热元件构成。由于被测介质在加热元件周围流动，发生进入被测介质的热输送，热输送随流速而变化。通过测量加热元件的电气变量，可以推导出被测介质的流速。
这样的风速、热式、流量传感器通常以下列两种类型的控制之一操作：
在“恒定电流风速测定(CCA)”控制的情况下，加热元件被供以恒定电流。被测介质的流量改变了加热元件的电阻，并使测量信号电压横跨加热元件下降。类似地，在“恒定电压风速测定(CVA)”控制的情况下，加热元件被供以恒定电压。
在“恒定温度风速测定(CTA)”控制的情况下，加热元件被平均保持在恒定温度。借助于这种类型的控制，可以测量相对高的流速。取决于流速，流动的被测介质提取或多或少的热，相应地，需要供应或多或少的电功率，以保持温度恒定。所供应的电功率是被测介质流速的量度。
然而，在风速或量热、热式、流量传感器的情况下，提取的热取决于被测介质的热参数——首先，这些热参数是被测介质的导热系数和热容量。结果，需要在针对特定被测介质的特殊校准***中更早地校准热式、流量传感器。如果被测介质变化，则热式、流量传感器需要在校准***中重新校准，然后才能再次输出正确的值。
目前已经存在用于气体的膜式流量传感器的主要测量方法，其在第一步骤中测量导热系数和热容量(借助于恒定功率或交流电流)，在第二步骤中利用这些信息测量流速以补偿流体依赖性。然而，为了使这种自校准能够起作用，通常先验地需要有关气体性质的某些信息。
此外，被测介质的导热系数和热容量通常需要隔离测量。这种分离的确定常常还需要不同的测量状态(例如，被测介质静止，因而，具有零流速)或测量序列，这又使得执行复杂，这意味着需要多个步骤、不同的传感器和电子组件。这种复杂的执行可能通常增加生产成本，因而也导致价格上涨。
在DE10 2018 130 548A1中描述了一种方法，在该方法的情况下，热式、流量传感器借助于3-omega方法记录被测介质的热参数。然后基于热参数来专门针对被测介质调整由热式、流量传感器记录的流体的流速。
未预公开的专利申请DE102020114487.3描述了一种方法，在该方法中，基于数学、物理、模型补偿由热式、流量传感器记录的被测介质的流速。为此，更早地获得特定于被测介质的测量数据。
在这两种方法的情况下，确定与补偿相关的数据在被测介质流速为零时发生。如果被测介质变化，则总是必须中断正在进行的操作以进行重新开始的数据收集。在给定情况下，流量传感器在变化的被测介质上的操作导致流量值不精确。
发明内容
从上述现有技术出发，本发明的目标在于提供一种能够在正在进行的测量操作期间参考被测介质的性质记录被测值的方法。
目标通过一种用于操作热式传感器的方法实现，其中，热式传感器至少包括第一传感器元件和电子器件，
其中，第一传感器元件被放置成与容器、尤其是与管道热接触，
其中，被测介质以流速流过容器，
其中，第一传感器元件借助于在传感器元件中提供的交变电压被周期性地加热并且与此同时，第一传感器元件的温度相对于时间被记录，
其中，基于在第一传感器元件中提供的交变电压的三次谐波振荡与第一传感器元件的温度的三次谐波振荡的比较，尤其是通过计算交变电压的三次谐波振荡与温度的三次谐波振荡的幅度之间的相移来确定来被测介质的被测变量，并且
其中，以第一传感器元件的发出的热进入被测介质的流量剖面的穿透深度存在的方式，选择交变电压的频率，其中，被测介质的流速基本为零。
在本发明的方法中，因而，应用3-omega测量方法，以便确定被测介质的被测变量。被测变量由在传感器元件中提供的交变电压和传感器元件的拖尾温度的幅度和/或相位差(在每种情况下，基于三次谐波振荡)构成，并且取决于特定被测介质的热性质。方法的本质点在于，作为所提供的交变电压的结果从传感器元件发出的温度的穿透深度可能受到交变电压的频率的影响。在这种情况下，以穿透深度确实进入被测介质中，但其中被测介质的流速基本为零的方式选择频率。尤其是在容器的壁附近就是这种情况。在该区域中，与流速的影响相比，被测介质性质的影响支配着所记录的被测变量。以这种方式，被测变量也可以在正在进行的操作期间(因而，在容器中存在大于零的流速的情况下)被记录。
穿透深度取决于所选择的频率：
在这样的情况下，PD代表穿透深度，而f是频率。
在本发明的方法的有利、进一步发展中，规定根据以下公式计算和选择频率：
其中，f是频率，α是第一被测介质的热扩散系数的量度，R是其中第一传感器元件与容器热接触的容器的半通道宽度，γ是参考流速的无量纲变量并且处于0至0.2之间的范围内。
公式的应用引起其中实现到容器中的期望穿透深度的频率范围。对于扩散系数α，知道被测介质处于哪种聚集态(液态或气态)就足够了，因为不同聚集态的扩散系数与介质非常独立地不同。关于被测介质的信息越确切，能够越确切地选择频率范围。例如，如果已知存在水/醇混合物，则各个组分的浓度对于确定最佳频率是不重要的，因为扩散系数仅随相对浓度略有不同。此外，频率范围是非常有利的，因为热式传感器应该对各种不同的测量介质起作用，其性质是先验未知的。
频率或频率范围可以独立于热式传感器的确切实施例(在所关注的结构、几何形状、使用的材料等方面)来确定，并且基本被预定为容器的通道宽度的函数。
通过应用这一基本计划，可以替选地或补充地实现三种应用变体：
在本发明的方法的第一变体中，规定热式传感器作为热式、流量传感器操作，进一步包括：
-计算校正变量，其中，校正变量补偿被测介质的被测变量相对于参考被测介质的参考被测变量的偏差；以及
-记录被测介质的流速，并创建借助于校正变量补偿的流速的被测值。
热式、流量传感器可以根据描述的引言部分中所述的至少一种控制类型来操作。
术语“流速”类似地包括被测介质的体积流量，例如，体积流率。
在本发明的方法的第一变体的有利实施例中，规定热式传感器的数学模型用于推算校正变量，其中，数学模型描述了记录的流速的产生的被测值对给定被测介质的被测变量的依赖性。因而，被测变量是补偿，或者被测流速相对于实际存在流速的预期偏差的直接量度。
在本发明的方法的第一变体的有利、进一步发展中，规定热式传感器包括另一传感器元件，其中，另一传感器元件借助于交变电压针对确定被测变量的步骤周期性地加热被测介质，并且其中，第一传感器元件被用于记录被测介质的流速。以这种方式，可能对被测介质的变化(例如，被测介质组分的变化)作出即时反应，并且相对于变化直接补偿流速的被测值，因为同时记录被测介质的被测变量以及流速。
在本发明的方法的第二变体中，规定当被测介质作为两种已知成分的二元混合物存在时，被测变量用于计算被测介质中的成分的浓度。“已知的”在这方面意指对于两种成分存在参考被测变量(在借助于3-omega方法获得的被测介质的被测值的意义上)。然后，被测介质的被测变量位于两个参考被测变量之间。然后可以从被测变量与限值(因而是参考被测变量)的“分离”计算被测介质中的成分的浓度或分数。
在本发明的方法的第一变体和第二变体的有利、进一步的发展中，规定确定被测变量(包括计算校正变量)的步骤和记录流速的步骤或计算浓度的步骤被同时执行。在这样的情况下，另一传感器元件确定被测变量，而(第一)传感器元件确定流速。然后，电子器件可以使用浓度的被测变量以及校正变量同时地计算。
在本发明的方法的第三变体中，规定热式传感器用作检测传感器，其中，电子器件以规则间隔重新确定被测变量并将其与已知被测介质的比较被测变量进行比较，并且其中，当被测变量与比较变量相差超过预定因子时，电子器件创建并输出信号。在这样的情况下，已知的被测介质的被测变量被较早地确定，或者在时间点t0确定位于容器中的被测介质的起始值。如果被测介质的组分或者被测介质本身变化，则被测介质的当前被测变量变化。
在本发明的方法的第一变体和/或第二变体的有利、进一步发展中，规定确定被测介质的被测变量(包括计算校正变量)的步骤周期性地重复并与记录流速的步骤或计算浓度的步骤交替，其中，当前计算的校正变量用于创建补偿的被测值。以这种方式，可以使用这样的交替模式(即使只有一种被测介质)，从而定期地确定被测介质的当前被测变量。
此外，目标通过一种热式传感器实现，该热式传感器具体化为借助于本发明的方法操作。热式传感器可以以关于生产方法(MEMS、模拟组件等)、组件的材料、尺寸等的各种方式来具体化。
有利地，热式传感器是非常灵敏的并且具有快速响应时间，例如，基于作为MEMS传感器的实施例。
附图说明
现在将基于附图更详细地解释本发明，附图示出如下：
图1是与本发明的方法相关的热式传感器的应用的示例的示意图；
图2是本发明的方法的流程图；
图3是示出针对不同被测介质的流速的未补偿被测值的曲线图；以及
图4是示出3-omega方法在不同流速下针对各种被测介质的被测变量的曲线图。
具体实施方式
图1示出了本发明的方法的应用示例。热式传感器100例如借助于焊接或粘合剂结合方法安装在容器3的壁中。容器3为管道，流体(气态或液态)被测介质2穿过管道沿流动方向v流动。管道具有圆形横截面。
本发明的方法可以应用于这样的应用的许多变体。例如，热式传感器100可以用在容器3的内部(例如，在热电偶套管中引入)或者安装(例如，借助于焊接方法)在容器3的外部。容器3的横截面可以可替选地具有任何形状，例如，可以是正方形。
热式传感器100包括基板120。通过厚膜或薄膜技术安装在基板120上的是一个或多个传感器元件101。这些传感器元件尤其由铂或具有限定的温度依赖性电阻值(NTC或PTC)的类似材料构成。
在本例中，热式传感器100被具体化为热式、流量传感器。在这样的情况下，传感器元件101用于被测介质2的时间交替加热以及用于确定被测介质2的温度。
可以设置两个或更多传感器元件101、102、103，尤其是将其布置在流动方向v上，其中，传感器元件101之一被具体化为加热元件并居中布置，并且其中，传感器元件102、103被具体化为温度传感器并且在流动方向v上被布置在加热元件上游和下游。
这样的热式、流量传感器100可在常规、已知操作模式下操作，即“量热流量测量”、“风速流量测量”和“飞行时间流量测量”，并且除了传感器元件外还包括电子器件110(其包括控制单元、评价单元和电压/电流源)以及传感器元件与电子器件110之间的布线。
量热、热式、流量传感器100经由两个传感器元件102、103(以被布置在具体化为加热元件的传感器元件101下游和上游的温度传感器的形式)之间的温差确定通道中被测介质2的流量，例如，流率。为此利用的是温差与流量(例如，流率)在某一点上线性相关。该方法在相关文献中有广泛的描述。
风速、热式、流量传感器100由加热元件形式的至少一个传感器元件101构成，其在测量流量期间被加热。被测介质2在加热元件上的流动引起进入被测介质的热输送。这种热输送随流速而变化。通过测量加热元件的电气变量，可以推导出被测介质的流速。
根据所谓的“飞行时间”测量原理工作的流量传感器具有加热元件形式的至少一个传感器元件101以及温度传感器形式的传感器元件102、103。加热元件用于向被测介质2输入瞬时热脉冲，这引起被测介质2的局部升温。流动的被测介质2引起作为流量的函数的局部升温的运动。当局部升温到达温度传感器附近时，由温度传感器记录。评价单元确定热脉冲的输入与温度传感器检测到局部升温之间的时间差。时间差是被测介质流速的量度。时间差越小，被测介质2的流速越大，反之亦然。
代替传感器元件101、102、103作为加热元件的实施例，传感器元件也可以是冷却元件，例如，珀耳帖元件。上述操作模式同样可使用冷却元件执行。例如，冷却脉冲被输入到被测介质中。
施加在基板和一个或多个传感器元件101、102、103上的是例如玻璃的钝化层130。基板的材料和强度取决于热式传感器100与容器3的固定类型。
在其中热式传感器100要被放置在容器的外部上的情况下，钝化层130可以被具体化为可焊接的。因而，热式传感器100可以通过带有传感器元件101、102、103的钝化层130焊接到容器3的外部，由此在介质方向上的导热系数增加。基板在这样的情况下应具有高热阻，例如，由陶瓷材料构成。以这种方式，从传感器元件101、102、103发出的热被引向被测介质2的方向。
在其中热式传感器100以相反方式连接(因而，通过基板120与容器的外部连接)的情况下，基板120以其具有小热阻的方式具体化。为此，基板120例如是薄的并且由金属材料构成。
热式传感器100的工作一方面是查明被测定介质2的流速，另一方面也是查明被测定介质2的组分。在本示例中，被测介质由水和尿素两种成分构成。
图2示出了本发明的方法的流程图。在制造M期间，在步骤a中发生热式传感器100的基础校准。为此，热式传感器100被安装在校准***中，校准***被两种参考流体流过——第一参考流体是水，而第二参考流体是尿素或尿素-水混合物(例如，AdBlue；32％尿素，68％水)。在这样的情况下，可以规定热式传感器100与容器3永久连接，容器3因而与传感器一起递送(例如，作为带连接的测深管)，并相应地应用到校准设备中，并在客户位置进行后期应用。在第一子步骤中，水流过校准***。为此，设置水的流速的不同值，并且设置针对借助于热式传感器100的电子器件110记录的每个流速的热式传感器100的被测值。以这种方式，创建了流量测量的基础校准，因而，创建了被测值对实际存在的流量的依赖性。
在第二子步骤中，首先将水引入校准***，然后是水加尿素。对于两种参考介质，然后借助于电子器件借助于3-omega方法记录特定介质依赖的被测变量V3ω。为此，传感器元件101由电子器件100供以交变电压。交变电压的频率在这样的情况下应被选择为使得从传感器元件101发出的热的穿透深度位于一个区域，在该区域中被测介质2的流速基本为零。这尤其是在容器3的内壁附近的情况。在该区域中，与流速的影响相比，被测介质性质的影响支配着记录的被测变量。
被测变量V3ω尤其是交变电压的三次谐波振荡与温度的三次谐波振荡的幅值和/或温度的三次谐波振荡的最大幅度之间的相移。
上述现象所发生的频率的确切值，或频率范围，可以借助于以下公式独立于热式传感器101的确切构造来计算：
在这样的情况下，f是所寻求的频率，α是第一被测介质的热扩散系数的量度，R是其中第一传感器元件与容器热接触的位置处的容器的半通道宽度，而γ是参考流速的无量纲变量并且处于0至0.2之间的范围内。对于特定容器，必须知道半通道宽度。
在其中热式传感器100被安装在容器外部上的情况下，管壁可能影响扩散系数α，并且必须被考虑以正确应用公式。在壁确实影响扩散系数的情况下，使用有效扩散系数，其取决于第一被测介质和热式传感器100，以及它们在容器3上的安装。
用于流速的基础校准和两个参考介质的被测变量V3ω被存储在电子器件110中。
在应用A的位置处，与应用相对应地安装热式传感器。然后，在方法步骤b中，发生当前流过容器3的被测介质2的表征。被测介质2为水-尿素混合物。同时或接下来，在方法步骤c中记录被测介质2的当前流速的被测值。
对于方法步骤b，执行如上所述的3-omega测量，并且记录当前被测介质的被测变量V3ω。
在方法步骤d中，发生被测介质2的当前浓度的计算，因而，被测介质中的组分、水和尿素的分数的计算，以及由电子器件110对流速的补偿。
为了计算浓度，参考被测介质的两个被测变量V3ω被发挥作用。当前被测介质2的被测变量V3ω位于两个参考被测值之间。然后可以从当前被测变量V3ω与参考被测变量V3ω提供的限值的“分离”计算出被测介质2中的成分的浓度或分数。
流速的被测值的补偿是基于当前被测变量V3ω和基础校准来执行的。图3示出了对于不同浓度的被测介质2的流速的未补偿被测值的测量曲线。在x轴上绘制的是被测介质2的流速。在y轴上绘制的是热式传感器100针对特定流速的被测值。对于具有圆形点的曲线，使用含有100％水和0％尿素分数的被测介质。对于具有正方形点的曲线，使用含有90％水和10％尿素分数的被测介质。对于具有三角形点的曲线，使用含有67.5％水和32.5％尿素分数的被测介质。显然，被测介质2的类型(因而是被测介质中存在的成分及其分数)极大地影响由热式传感器记录的被测值。由于这一原因，被测值确实需要补偿。为此，计算校正变量，其中，校正变量补偿被测介质的被测变量与参考被测介质的参考被测变量的偏差。为此，热式传感器的数学模型用于推算校正变量，其中，数学模型描述了记录的流速的产生的被测值对一些被测介质2的被测变量V3ω的依赖性。因而，被测变量V3ω是补偿或者是被测流速与实际存在的流速的预期偏差的直接量度。
在这样的情况下，被测介质2的被测变量V3ω仅依赖于被测介质2，然而，如上所述，由于3-omega测量的所选择的频率，不依赖于被测介质2的当前流速。图4示出了被测变量V3ω(y轴)——在这样情况下，是图3的被测介质的——最大幅度对流速(x轴)的依赖性。很明显，由于上述频率的选择，被测变量V3ω基本与流速无关，并且相对于彼此的差异很大。
在最后一个方法步骤e中，输出浓度和流速的当前经补偿被测值。可以规定方法步骤b至e以规则间隔重复。在应用单个传感器元件101的情况下，确定流速和记录被测变量V3ω的步骤可以交替地执行。在应用至少一个另外的传感器元件102、103的情况下，这些步骤可以在同一时间执行，其中，传感器元件之一执行确定流速的步骤而另一传感器元件执行记录被测变量V3ω的步骤。
另外或者可替选地，热式传感器可以被具体化为检测传感器。检测传感器以规则间隔记录被测介质2的被测变量V3ω并将其与参考被测变量进行比较。在其中当前被测变量V3ω与参考被测变量相差预定因子的情况下，电子器件110发出警报。
附图标记列表
100 热式传感器
101,102,103 传感器元件
110 电子器件
120 基板
130 钝化层
2 被测介质
3 容器
PD 穿透深度
R 半通道宽度
a,b,…,e 方法步骤
v 流速
V3ω 被测介质的被测变量
Claims (10)
1.一种用于操作热式传感器(100)的方法，其中，所述热式传感器(100)至少包括第一传感器元件(101)和电子器件(110)，
其中，所述第一传感器元件(101)被放置成与容器(3)、尤其是与管道热接触，
其中，被测介质(2)以流速流过所述容器(3)，
其中，所述第一传感器元件(101)借助于在所述传感器元件(101)中提供的交变电压被周期性地加热并且与此同时，所述第一传感器元件(101)的温度相对于时间被记录，
其中，所述电子器件(110)基于在所述第一传感器元件(101)中提供的所述交变电压的三次谐波振荡与所述第一传感器元件(101)的温度的三次谐波振荡的比较，尤其是通过计算所述交变电压的三次谐波振荡与温度的三次谐波振荡的幅度之间的相移，来确定所述被测介质(2)的被测变量(V3ω)，并且
其中，以所述第一传感器元件(101)的发出的热进入所述被测介质(2)的流量剖面的穿透深度(PD)存在的方式选择所述交变电压的频率，其中，所述被测介质(2)的流速基本为零。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，根据以下公式计算和选择所述频率：
其中，f是频率，α是第一被测介质(2)的热扩散系数的量度，R是其中所述第一传感器元件(101)与所述容器热接触的所述容器(3)的半通道宽度，γ是参考所述流速的无量纲变量并且处于0至0.2之间的范围内。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述热式传感器(100)作为热式、流量传感器操作，所述方法进一步包括：
-计算校正变量，其中，所述校正变量补偿所述被测介质(2)的所述被测变量(V3ω)相对于参考被测介质的参考被测变量的偏差；以及
-记录所述被测介质(2)的流速，并创建借助于所述校正变量补偿的流速的被测值。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述热式传感器(100)的数学模型用于推算所述校正变量，其中，所述数学模型描述了记录的流速的产生的被测值对被测介质的被测变量的依赖性。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述热式传感器(100)包括第二传感器元件(102、103)，其中，所述第二传感器元件(102、103)借助于所述交变电压针对确定所述被测变量(V3ω)的步骤周期性地加热所述被测介质(2)，并且其中，所述第一传感器元件(101)被用于记录所述被测介质(2)的流速。
6.根据前述权利要求中的至少一项所述的方法，其中，当所述被测介质(2)作为两种已知成分的二元混合物存在时，所述被测变量(V3ω)用于计算所述被测介质(2)中的所述成分的浓度。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其中，包括计算所述校正变量的确定所述被测介质(2)的所述被测变量(V3ω)的步骤和记录流速的步骤或计算所述浓度的步骤被同时执行。
8.根据前述权利要求中的至少一项所述的方法，其中，所述热式传感器(100)用作检测传感器，其中，所述电子器件(110)以规则间隔重新确定所述被测变量(V3ω)并将其与已知被测介质的比较被测变量进行比较，并且其中，当所述被测变量(V3ω)与所述比较被测变量相差超过预定因子时，所述电子器件(110)创建并输出信号。
9.根据权利要求3、6或8中的至少一项所述的方法，其中，包括计算所述校正变量的确定所述被测介质(2)的所述被测变量(V3ω)的步骤周期性地重复并与记录流速的步骤或计算所述浓度的步骤交替，其中，当前计算的校正变量用于创建被补偿的被测值。
10.一种热式传感器(100)，其被具体化为借助于根据权利要求1至9中的至少一项所述的方法来操作。
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